**中文标题：** 可持续农业背景下作物系统养分综合管理与高效利用的多尺度策略、协同机制及多目标评价

《Agriculture》：Integrated Management and Efficient Use of Nutrients in Crop Systems—2nd Edition

　　

可持续粮食生产根本上有赖于农业系统在最大限度降低养分损失、环境影响和生产成本的同时，为作物提供充足且均衡的养分供给能力。随着农业需要在依赖地球有限养分库的前提下维持甚至提高生产力以养活不断增长的全球人口，这一挑战日益严峻。以化学肥料为基础的传统植物营养策略往往无法满足可持续农业的标准，尤其是在减少环境足迹方面。氮和磷尤为典型：施用氮磷肥对提高全球作物生产力至关重要，但其低效利用却导致环境污染。数十年来，研究人员为提高作物养分利用效率和完善养分管理策略做出了大量努力。这种改进不能仅被视为增加或减少肥料用量的问题。养分利用涵盖作物植株内的养分吸收、同化、分配和再转运，以及田块和作物系统层面的养分循环与损失。因此，合理高效的养分管理需要一种综合性的方法，将土壤肥力管理、有机和矿质养分来源、作物多样化、生物过程以及适应特定种植制度和环境条件的管理实践结合起来。特刊"作物系统养分综合管理与高效利用——第二辑"旨在继续推动上述相互关联挑战的科学讨论。其范围涵盖土壤养分状况与养分有效性评估、作物养分需求诊断、通过生物和非生物过程调控养分有效性、涉及外源养分载体的策略、养分利用效率提升、养分移除与损失、养分平衡，以及养分管理的环境、经济和社会维度。本特刊收录的六篇论文涉及土壤改良剂与土壤化学及微生物群落之间的相互作用、绿肥管理与农牧一体化系统、间作、优化施肥策略以及作物氮素利用的生理调控等多个方面。

**论文解读：**

**一、研究背景与问题提出**

全球粮食安全高度依赖于农业系统能否在有限的地球养分库约束下维持并提升作物生产力。然而，长期以来以化学肥料为核心的传统植物营养策略，虽然对全球作物增产发挥了关键作用，却因其低效利用导致了严重的环境问题，尤其是氮和磷的流失引发的面源污染、水体富营养化和温室气体排放。如何在保障作物产量的同时减少环境足迹、降低生产成本，已成为现代可持续农业面临的核心矛盾。养分利用效率（Nutrient Use Efficiency, NUE）的提升并非简单的增减肥料用量的问题，而是涉及作物对养分的吸收、同化、分配与再转运等多个生理过程，以及田块和种植制度层面的养分循环与损失。因此，构建一种整合土壤肥力管理、有机与矿质养分来源、作物多样化、生物过程与适宜管理实践的综合性养分管理框架，是应对上述多重挑战的关键路径。

**二、研究内容与重要意义**

本特刊"作物系统养分综合管理与高效利用——第二辑"围绕上述相互关联的挑战，收录了六篇研究论文，旨在从不同空间尺度——从植物个体内部的生理过程到土壤微生物过程、再到整个生产系统的经济和环境表现——探讨养分高效管理的策略与机制。特刊的研究主题涵盖土壤养分状况与有效性评估、作物养分需求诊断、养分有效性的生物与非生物调控、外源养分载体策略、养分利用效率提升、养分平衡及环境经济效益等多个维度。这些研究共同表明，高效的养分管理应被理解为对复杂的"土壤-植物-微生物-养分载体"系统的综合调控，需要养分来源的多样化和养分管理手段的集成，并且必须同时采用生产、环境和经济等多重标准来评价养分利用效率。

**三、主要技术方法概述**

本特刊各研究所采用的技术方法涵盖多个层面：Kim等利用智能温室盆栽试验，结合土壤化学分析和细菌群落高通量测序，评估堆肥茶与生物炭联合施用对罗勒生长和土壤微生物群落的影响；Zhou等在中国南方冲积母质发育的土壤上开展田间试验，通过残体分解动态监测和微生物生活史策略分析，研究紫云英绿肥与化学氮肥协同施用下的养分释放规律；Senturklu等在美国北达科他州进行了长达12年的免耕硬红春小麦轮作与放牧一体化田间试验，系统监测土壤肥力指标和经济效益；?enk等在塞尔维亚微碱性黑钙土上设置大豆与普通黍子间作的空间配置试验，并以土地当量比和元素积累量为评价指标；Ding等在中国再生稻系统中比较了常规尿素分施与控释肥料、有机替代和减氮等优化施肥策略对温室气体排放和碳足迹的影响；Chen等采用水培体系，在不同氮素浓度下系统测定了甜菜幼苗的光合参数、氮同化酶活性及碳代谢产物。

**四、主要研究结果**

（1）堆肥茶与生物炭联合施用对土壤化学性质和细菌群落的选择性调控：Kim等发现，堆肥茶与生物炭联合施用在韩国智能温室条件下选择性地影响了罗勒的生长性状、离子组成、土壤养分状况和细菌群落结构。土壤pH、有机质、无机氮形态和交换性阳离子的变化与土壤细菌群落结构的转变相关联。需要注意的是，由于该研究未单独设置生物炭处理，上述效应应归因于堆肥茶与生物炭的联合作用。

（2）绿肥与化学氮肥协同施用促进残体分解与氮素释放：Zhou等在中国南方冲积土上的研究表明，将紫云英与减量化肥氮配合施用，相较于单独使用紫云英，加速了残体早期分解和氮素释放，同时伴随细菌生活史策略的转变。该结果支持了有机与无机养分来源的结合可改善残体分解、养分释放与作物需求之间同步性的观点。

（3）长期免耕多作物轮作与放牧一体化系统改善土壤肥力：Senturklu等在美国北达科他州长达12年的免耕试验中，将硬红春小麦与多种作物轮作并结合肉牛放牧。结果显示，尽管小麦产量和品质相比于连作春小麦未显著提高，但农牧一体化系统改善了土壤有机质、氮、磷和钾等肥力指标。同时，轮作和放牧降低了投入成本，但由于气候变异性的强烈影响，研究期间的毛收益和净收益仍可忽略不计。

（4）大豆与黍子间作提高土地当量比并影响元素积累：?enk等在塞尔维亚微碱性黑钙土上的间作试验表明，两行大豆/两行黍子的空间配置获得了最高的鲜生物量和干生物量土地当量比（Land Equivalent Ratio, LER），并影响了多种大量元素和微量元素的积累。间作还降低了黍子中铝的积累量，而生物肥料对产量和元素组成的影响总体较为有限。

（5）优化施肥策略降低再生稻系统温室气体排放和碳足迹：Ding等在中国再生稻系统中，以控释肥料、有机肥部分替代和减氮施用等优化施肥策略替代常规分次尿素施用。结果表明，优化处理显著降低了甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放，降低了碳足迹指标，多数优化策略同时提高了水稻年产量，净生态系统经济效益提高了8.27%~34.23%。

（6）氮素供应水平对甜菜碳氮代谢的生理调控：Chen等在水培条件下，将甜菜幼苗暴露于不同氮素浓度中。结果显示，中等氮素供应水平维持了较高的光合性能和氮同化过程（涉及谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶），同时促进了蔗糖合成及其向根部的分配。而过量氮素供应导致叶片失绿坏死、生物量下降、酶活性受抑以及碳氮代谢稳态失衡，表明超出作物需求的养分供给反而会降低植物生产力。

**五、总结与结论**

综合来看，本特刊所收录的论文展示出高效养分管理在多个空间尺度上的运作机制：从植物个体内部的生理调控，到土壤微生物过程，再到整个生产系统的经济和环境表现。尽管各项研究涉及不同的作物种类、环境条件和管理措施，但可以从中提炼出若干共性结论。第一，养分管理应被理解为对复杂的"土壤-植物-微生物-养分载体"系统的综合调控。第二，这种调控应包括养分来源的多样化和养分管理方法的集成。第三，养分利用效率的评价需同时采用生产、环境和经济等多重标准。这些贡献强调了同步养分供给与作物需求的重要性，并指出整合多种养分来源、多样化种植制度和开发智能化肥料技术，有助于在减少外部投入和环境影响的同时维持生产力。特刊客座编辑希望，所呈现的研究发现能够激发进一步的跨学科研究，推动建立养分效率、土壤肥力、作物生产力、环境表现和经济可行性互为目标协同互补的作物生产体系。